宇宙必修課：給大忙人的天文物理學入門攻略

名人推薦：對真正想踏入天文物理一窺堂奧的讀者而言，

這是一本入門好書。

──國立自然科學博物館 孫維新館長

常常看「探索頻道」和「國家地理頻道」天文和物理影片的人，就會看到泰森口若懸河、幽默風趣的身影。他在螢幕上廣受歡迎。泰森說這本《宇宙必修課：給大忙人的天文物理學入門攻略》是寫給沒時間上課甚至看電視的忙碌一族。五光十色的科幻小說、網路、影片，的確是很多朋友認識宇宙的巧門，但如果你常常有看沒有懂，疑問一堆，利用滑手機的時間，請試試這本輕薄短小的入門心法，這裡寫的可是正宗的少林武功！

──交通大學物...

在開頭的十億年之中，宇宙持續膨脹和降溫，物質也受重力吸引，聚成稱為星系的大質量天體。此時形成的星系總數將近1千億，每一個星系都有數千億顆恆星，而且恆星的核心正在進行核融合。而質量超過10倍太陽的恆星，核心的壓力和溫度，更高到可以鍛造出數十種比氫更重的元素，其中包括了組成行星，以及生活在這些行星上生命所需的所有元素。

這些元素如果停留在形成之處就全然無用，但大質量的恆星偶爾會發生爆炸，把化學元素含量豐富的核心散播到星系各處。如此經過了90億年不停的增加元素量之後，在一個平凡的宇宙角落（室女座超星系團的邊緣），一個平凡星系（銀河系）內的平凡區域（獵戶臂）上，一顆毫不起眼，名為太陽的恆星誕生了。

形成太陽的這團氣體雲擁有大量的重元素，聚合後還產生了各式各樣繞太陽運行的天體，包括數顆岩質和氣態行星、數十萬顆小行星，以及數十億顆彗星。在開頭的數億年期間，位在雜亂軌道上的殘渣會受到較大型天體吸積，產生高速與高能量的撞擊事件，造成岩質行星的表面熔化，也讓複雜分子無法形成。

隨太陽系裡可吸積的物質變得愈來愈少，行星的表面開始降溫。我們稱為地球的這顆行星，也在太陽周圍一個冷熱適中的區域裡形成了，這使得地球上的海洋擁有大量的液態水。假使地球離太陽再近一些，海洋就會蒸發殆盡；如果地球離太陽再遠一些，海洋就會凍結。在這兩種情形下，我們所知的生命就無法滋長和演化。

有機分子在化學元素極為豐富的海洋裡，以我們目前仍未知的機制，轉變成了能自我複制的生命。在這鍋生命之湯裡，構造簡單的厭氧菌最具優勢，這種生物能在無氧環境下蓬勃發展，並排放高化學活性副產物—氧。

這些原始的單細胞厭氧菌，不自覺的把地球上的大氣，從原本二氧化碳含量豐富，轉變成氧含量豐富，於是好氧生物得以出現，並進而主宰了海洋和陸地。

這些有助於好氧生物生存的氧原子，通常成雙組成氧分子，但在地球的高層大氣也可以聚合三個，形成臭氧，替地球表面擋掉大部分

破壞力強大的太陽紫外光子。地球上（以及可能在宇宙他處）會有極多樣的生命，都要歸功於宇宙中含量豐富的碳，以及無以數計或簡單或複雜的含碳分子。這一點是毫無疑義的，因為碳基分子的種類及數量，多於其他各種分子的總和。

但生命是脆弱無比的。在過去，地球偶爾會遭遇到突然冒出來的大型彗星和小行星的碰撞，使生態系受到無以倫比的破壞。例如就在6千5百萬年前（地球年齡比現在再往前減2%時），一顆10兆噸的小行星撞在現今中美洲的猶加敦半島，造成75%的植物和動物滅種，其中也包括著名的恐龍。

因為這場生態浩劫，我們哺乳類的祖先從此不再淪為暴龍的開胃小點，得以興起並占住剛空出來的棲域。哺乳類中具有大型腦容量，稱為靈長類的一支，後來演化成為智人，擁有足夠的智慧來發明科學方法和科學工具，甚至還破解了宇宙起源和演化之謎。

然而，在所有的這一切之前，還發生過什麼事？也就是說，在宇宙起源之前發生了什麼事？

天文物理學家目前對此一無所知。或者說，我們目前最天馬行空的想法，幾乎全都缺乏實驗科學的根基。為此，有些具有宗教信仰的人就以正義使者的口吻斷言，一定是某種至高無上者啟動了這一切，而這種力量不但大過其他力，也是所有一切的根源。對這類人來說，啟動這一切的，理所當然就是上帝。

然而，會不會宇宙是永恆的存在，只是它的狀態我們至今仍然無法辨認，例如：它會不會是可以不停產生新宇宙的多重宇宙？或者，宇宙根本是憑空出現的？或者，我們所知和所愛的一切，只是超級智慧外星物種因為好玩，所進行的電腦模擬？這些有趣的哲思，很難讓所有人滿意。儘管如此，這些想法提醒了我們，無知才是科學家心智的自然狀態。自認無所不知的人，從來不會去尋找，也不會碰巧發現到宇宙未知與已知的界線。

我們知道且可以斷言的是：宇宙有一個起點。此外，我們身體裡的每一顆原子，都可以溯源到大霹靂，以及五十多億年前發生爆炸的大質量恆星裡的熱核反應爐。我們是星塵轉變成的生物，然後宇宙賦予了我們能力，讓我們去了解宇宙，而我們的旅程才剛要開始呢。

──摘自〈有史以來最精采的故事〉

在開頭的十億年之中，宇宙持續膨脹和降溫，物質也受重力吸引，聚成稱為星系的大質量天體。此時形成的星系總數將近1千億，每一個星系都有數千億顆恆星，而且恆星的核心正在進行核融合。而質量超過10倍太陽的恆星，核心的壓力和溫度，更高到可以鍛造出數十種比氫更重的元素，其中包括了組成行星，以及生活在這些行星上生命所需的所有元素。

這些元素如果停留在形成之處就全然無用，但大質量的恆星偶爾會發生爆炸，把化學元素含量豐富的核心散播到星系各處。如此經過了90億年不停的增加元素量之後，在一個平凡的宇宙角落（室女座超星系團的邊...

【導讀】星空下的無私分享 / 孫維新

1989年秋，我回到台灣，開始了天文領域的教研生涯，一晃就二十八年了。這超過四分之一世紀的心路歷程，我覺得，其實不是「教書」，而是「分享」，和學生分享老師眼中的宇宙，和老師心中的宇宙觀。

學習天文是讓人愉快的，接觸觀測則是令人感動的，這裡所說的「觀測」，不只是仰望繁星點點的夜空，還包含了因為出門觀星而親身碰觸的大自然：墾丁的綠閃光、大峽谷的七彩落日、青藏高原的壯麗山水，和大興安嶺的無垠雪原，是天文觀測的額外獎賞，也讓人可以從更為多元的角度，去認識我們頭上的這方宇宙，和腳下的這個地球。

接觸天文，會讓人變得慷慨，也會讓人變得驕傲，慷慨於分享自己在星空下曾有過的感動，也驕傲於自己曾經目睹宇宙作出的美妙演示。所以從過去到現在，在廣大民眾心中留下深刻印象的科普著作，多半談的都是宇宙星空，因為這個領域給人們最廣大的遐想空間，也最能引起人們心底的共鳴。

1980年，美國天文學家卡爾‧薩根（Carl Sagan）出版了「宇宙」（Cosmos）影集和同名書，以深厚的人文情懷，包裹著豐富的天文知識，風靡了全球，到今天快四十年了，仍然後繼無人。現在天下文化出版了《宇宙必修課》，由尼爾‧泰森（Neil Tyson）所著，泰森到哪兒都不吝於說自己是薩根的學生，顯然希望能步武前賢，讓人覺得他是薩根天文科普的嫡傳弟子，但這本書的結構內容，多天文而少人文，和一代宗師薩根的著作相比，還是有距離的，就因為他太想超越前人，所以開創新猷，想給一般讀者開講「天文物理」。

給想一窺天文物理堂奧的你

這本書的英文原名是「寫給忙碌的人們看的天文物理」，希望給人一種簡單易讀、碎片學習的印象，但其實這本書忙碌的人還真讀不了，因為書中強調的是「天文物理」，這是由天文現象的觀察分析，導出隱藏在現象背後物理原理的過程，嚴格說起來，這個學問是在十九世紀中期光譜儀發明之後，所發展出來的重要領域，比歷經千年、傳統單純的「天文學」檔次來得高太多了，但相對也就不再那麼直觀易懂。

泰森努力用輕鬆的語氣、有趣的比方，來輕量化這本書，但對一般讀者而言，許多天文物理的名詞術語還是高來高去，雲山霧罩。然而對真正想踏入天文物理一窺堂奧的讀者而言，這倒是一本入門好書，因為泰森提到了暗物質、暗能量、星系際物質、多波段觀測，和系外行星，這些新知的確是天文物理在世紀交會間的最新進展！

泰森在書中有幾處的描述讓人驚豔，像是他將全體人類分享地球的概念，使用水和空氣來表現，水和空氣的分子是如此之小，數量又是如此之多，在地球上長年周而復始地循環，是人類反覆經歷、日用而不知的重要成分，書中的比喻讓我們明白，我們每個人所喝的水，可能也曾經過蘇格拉底、張衡、傑佛遜、德雷莎修女的腸胃，我們所呼吸的空氣，可能也曾經過亞歷山大大帝、秦始皇、拿破崙、曼德拉總統的肺臟，這比起國際太空站上的固定笑話：「今天的咖啡，就是明天的咖啡」，以說明飲用水和尿液的循環，來得要有深度多了！

泰森指出了另外一個事實，以目前宇宙加速膨脹的趨勢來看，遙遠星系的退移速度愈來愈快，終究會陸續逸出我們的視野之外，兆年之後，等到最後一個鄰居星系離開我們的視線範圍，再出生的年輕一代就不會知道我們曾經有過許多「星系鄰居」，會以為整個宇宙就只有我們一個銀河系！這時泰森的反思是什麼？如果未來會發生這種事，那過去是否已經發生過類似的事情，讓我們的宇宙視野完全改觀，而我們根本不知道？還以為宇宙古往今來就這副模樣，從來沒有改變過？這是一個「困擾思緒」（Mind Boggling）的大問題，但卻是一個在科學上無解的哲學問題。

讀天文物理，胸懷千萬里

泰森花了許多篇幅，說明元素週期表的意義和命名緣由，富含歷史和知識的趣味，但他也指出了重元素對人類世的重要性，沒有氫、氦、鋰之外的重元素，是不可能創造出我們今日再熟悉不過的物質世界來的，但這些重元素都是來自恆星的核心，無論是緩慢的（相對來說）核融合，或是急速的超新星爆炸，都是孕育重元素的胚胎環境。所以當年台灣的天文前輩沈君山校長，就曾經說過一句極為感人的名言：「我們每個人，過去都曾經是某一顆恆星的一部分。」聞者動容。但同樣的話，換個方式來說，卻可以十分搞笑，2009年「全球天文年」巴黎揭幕式上，英國資深天文物理學家馬丁‧瑞斯（Martin Rees）受邀上臺做開幕演講，劈頭就說：「我們每個人都是核廢料！」（We are all nuclear waste!）臺下一堆核廢料笑翻天。

薩根的女兒小時候曾經問過他，有關已經不在世上的祖父母的事，問薩根是否希望和他們見面，談到了前世今生、靈魂輪迴的存在問題，薩根對他的父母極端思念，思考良久，仍站在科學工作者的立場，對女兒說了一句話，他女兒記錄了下來：「他溫和地告訴我：『你會想去相信那些你希望成真的事情，而這是很危險的。』」（Then he told me, very tenderly, that it can be dangerous to believe things just because you want them to be true.）看了令人感動。無論生死真相為何，科學態度是認識宇宙道理的關鍵。

認識宇宙，就是一個學習謙卑的過程，我常提醒我自己，也告訴我的學生，我們今天在許多方面，仍然活在「前哥白尼時代」（Pre-Copernican Era），而我們常常忽略了我們的所知如此有限。不過話說回來，仰望廣漠星空，我不會覺得人類渺小，心中只存著感恩，因為有那麼多有趣的事物，等著我們去認識、去學習、去分享！

希望您也能從這本書中，讀到許多泰森想表達的科學以外的東西！

【導讀】星空下的無私分享 / 孫維新

1989年秋，我回到台灣，開始了天文領域的教研生涯，一晃就二十八年了。這超過四分之一世紀的心路歷程，我覺得，其實不是「教書」，而是「分享」，和學生分享老師眼中的宇宙，和老師心中的宇宙觀。

學習天文是讓人愉快的，接觸觀測則是令人感動的，這裡所說的「觀測」，不只是仰望繁星點點的夜空，還包含了因為出門觀星而親身碰觸的大自然：墾丁的綠閃光、大峽谷的七彩落日、青藏高原的壯麗山水，和大興安嶺的無垠雪原，是天文觀測的額外獎賞，也讓人可以從更為多元的角度，去認識我們頭上的這方宇宙，...

【序言】為什麼宇宙是必修課 / 泰森

近幾年來在美國，幾乎每隔幾天就會在媒體頭版看到關於宇宙新發現的報導。這或許是因為媒體人對宇宙特別熱愛，不過更可能是因為一般大眾對

科學的興趣真的大為增加。那些與科學相關的熱門電視節目，以及由大明星領銜主演，由著名製片人和導演搬上螢幕的賣座科幻電影，都是可以佐證的實例。近來，重要科學家的傳記電影也自成一種電影類型。科學祭、科幻小說觀摩會和電視科學紀錄片也吸引了世界各地民眾的觀看與參與。

電影史上最賣座的電影是由著名導演執導的，故事發生於一顆繞行遙遠恆星的行星上，電影的主角則是由知名女演員扮演的太空生物學家。在我們這個年代，大部分科學的地位都大有提升，而凌駕在各個學科之上的就是天文物理學。我想我知道緣由。在我們一生的某些時候，每個人都會仰望夜空，動念思索：宇宙星辰有什麼意義？如何運作？我在宇宙中又占了什麼地位？

如果你實在太忙，沒空經由課程、教科書或紀錄片來了解宇宙，但仍然想找到精簡且有深度的宇宙簡介，那麼這本書正是為你寫的。讀完這本小

書，你會略通現代用以了解宇宙的主要觀念和發現。如果這本書完成原先設定的目標，那你對我所屬的天文物理學科就會相當熟悉，或許你就會渴望更深入了解宇宙。

【序言】為什麼宇宙是必修課 / 泰森

近幾年來在美國，幾乎每隔幾天就會在媒體頭版看到關於宇宙新發現的報導。這或許是因為媒體人對宇宙特別熱愛，不過更可能是因為一般大眾對

科學的興趣真的大為增加。那些與科學相關的熱門電視節目，以及由大明星領銜主演，由著名製片人和導演搬上螢幕的賣座科幻電影，都是可以佐證的實例。近來，重要科學家的傳記電影也自成一種電影類型。科學祭、科幻小說觀摩會和電視科學紀錄片也吸引了世界各地民眾的觀看與參與。

電影史上最賣座的電影是由著名導演執導的，故事發生於一顆繞行遙遠恆星的行星上，電...

導讀：星空下的無私分享 孫維新
序言：為什麼宇宙是必修課 泰森
1. 有史以來最精采的故事
2. 在地球上就是在宇宙中
3. 於是，就有了光
4. 星系之間有什麼
5. 摸不著的暗物質
6. 神祕的暗能量
7. 元素週期表中見宇宙
8. 球形萬歲
9. 看不見的光
10. 行星之間有什麼
11. 從外太空看地球
12. 為什麼要有宇宙觀

導讀：星空下的無私分享 孫維新
序言：為什麼宇宙是必修課 泰森
1. 有史以來最精采的故事
2. 在地球上就是在宇宙中
3. 於是，就有了光
4. 星系之間有什麼
5. 摸不著的暗物質
6. 神祕的暗能量
7. 元素週期表中見宇宙
8. 球形萬歲
9. 看不見的光
10. 行星之間有什麼
11. 從外太空看地球
12. 為什麼要有宇宙觀